Dieses Protokoll beschreibt die Etablierung von Enteroiden, einem dreidimensionalen Darmmodell, aus fetalem Darmgewebe. Immunfluoreszierende Bildgebung von epithelialen Biomarkern wurde zur Modellcharakterisierung verwendet. Die apikale Exposition von Lipopolysacchariden, einem bakteriellen Endotoxin, induzierte die epitheliale Permeabilität in einer dosisabhängigen Weise, gemessen durch das Austreten von fluoreszierendem Dextran.
Enteroide aus menschlichem fetalem Gewebe entwickeln sich zu einem vielversprechenden In-vitro-Modell zur Untersuchung von Darmverletzungen bei Frühgeborenen. Enteroide zeigen Polarität, bestehend aus einem Lumen mit apikalem Rand, Tight Junctions und einer basolateralen äußeren Schicht, die Wachstumsmedien ausgesetzt ist. Zu den Folgen von Darmverletzungen gehören Schleimhautentzündungen und erhöhte Durchlässigkeit. Das Testen der Darmpermeabilität bei gefährdeten Frühgeborenen ist oft nicht durchführbar. Daher wird ein in vitro fetales Gewebe-abgeleitetes Darmmodell benötigt, um Darmverletzungen bei Frühgeborenen zu untersuchen. Enteroide können verwendet werden, um Veränderungen der epithelialen Permeabilität zu testen, die durch Tight-Junction-Proteine reguliert werden. In Enteroiden differenzieren sich intestinale Stammzellen in alle Epithelzelltypen und bilden eine dreidimensionale Struktur auf einer Basalmembranmatrix, die von Maussarkomzellen sezerniert wird. In diesem Artikel beschreiben wir die Methoden zur Etablierung von Enteroiden aus fetalem Darmgewebe, zur Charakterisierung der enteroiden Tight Junction-Proteine mit Immunfluoreszenzbildgebung und zum Testen der epithelialen Permeabilität. Da gramnegative dominante bakterielle Dysbiose ein bekannter Risikofaktor für Darmschäden ist, verwendeten wir Lipopolysaccharid (LPS), ein Endotoxin, das von gramnegativen Bakterien produziert wird, um die Permeabilität in den Enteroiden zu induzieren. Fluorescein-markiertes Dextran wurde mikroinjiziert in das enteroide Lumen, und serielle Dextrankonzentrationen, die in die Kulturmedien austraten, wurden gemessen, um die Veränderungen der parazellulären Permeabilität zu quantifizieren. Das Experiment zeigte, dass die apikale Exposition gegenüber LPS die epitheliale Permeabilität konzentrationsabhängig induziert. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass gramnegative dominante Dysbiose zum Mechanismus der Darmschädigung bei Frühgeborenen beiträgt.
Frühgeborene sind häufigen und anhaltenden Entzündungen ausgesetzt, die sie einem erhöhten Risiko für Darmverletzungen aussetzen, die zu einer langfristigen Behinderung oder zum Tod führen1. Die Forschung in diesem Bereich wird durch die begrenzte Fähigkeit herausgefordert, Experimente an gefährdeten Frühgeborenen durchzuführen. Darüber hinaus hat ein Mangel an geeigneten Modellen die umfassende Untersuchung der vorzeitigen Darmumgebung behindert2. Bestehende in vitro und in vivo Modelle haben es versäumt, die vorzeitige menschliche Darmumgebung umfassend abzubilden. Insbesondere können einzelne epitheliale fetale Zelllinien keine Tight Junctions bilden, und Tiermodelle zeigen andere entzündliche und immunologische Reaktionen als menschliche Frühgeborene. Mit der Entdeckung des Wnt-Signalwegs als primärer Signalweg bei der Proliferation und Differenzierung von intestinalen Krypt-Stammzellen und den neuartigen Lgr5+-Gewebestammzellen wurden aus Darmgewebe gewonnene Organoide wie Enteroide und Kolonoide als In-vitro-Modelle etabliert 3,4,5. Mit dieser Technologie ist es möglich, dreidimensionale (3D) enteroide Modelle zu erstellen und zu verwenden, die aus dem gesamten Gewebe oder der Biopsie eines Darms entwickelt werden, um epitheliale Reaktionen auf die Darmumgebung zu untersuchen 6,7.
Im Gegensatz zu typischen Darmzelllinien, die in Kultur gezüchtet werden, zeigen Enteroide Polarität mit einem Lumen, das durch Tight-Junction-Proteine verbundenist 8. Dies ermöglicht eine Exposition gegenüber der basolateralen Grenze in den Wachstumsmedien sowie eine luminale Mikroinjektion zur Beurteilung der apikalen Grenze. Darüber hinaus zeigen Enteroide ähnliche genetische, physiologische und immunologische Eigenschaften wie das menschliche Epithel 9,10. Fetale Gewebe-abgeleitete Enteroide ermöglichen die Untersuchung der Rolle der Frühgeburtlichkeit auf die Epithelfunktion. Die einzigartigen Eigenschaften von Enteroiden können der vorzeitigen Darmumgebung näher kommen9. Gewebeabgeleitete Enteroide können verwendet werden, um die Integrität von Tight Junction als Monoschichtform oder als 3D-Strukturen, die in eine erstarrte Basalmembranproteinmischung eingebettet sind, zu testen. Für letztere Form ist eine Mikroinjektionstechnik erforderlich, wenn eine apikale Exposition gewünscht wird. Die Messung epithelialer Reaktionen in enteroiden Modellen umfasst die Genexpression durch RNA-Sequenzierung, Biomarker durch enzymgebundenen Immunoassay (ELISA) oder fortschrittliche bildgebende Verfahren. Die hier vorgestellte Technik bietet eine weitere praktikable Möglichkeit, die Bruttopermeabilität mit der Fluorometrie zu messen.
Darmverletzungen bei Frühgeborenen haben eine multifaktorielle Pathogenese, die das Ungleichgewicht der mikrobiellen Darmgemeinschaft einschließt. Enteroide können hervorragende Modelle liefern, um bestimmte Aspekte von vorzeitigen Darmerkrankungen wie nekrotisierende Enterokolitis zu untersuchen, die Epithelfunktionen betreffen11. Enteroide zeigen ähnliche Eigenschaften wie der menschliche fetale Darm10. Die Exposition von Enteroiden gegenüber Lipopolysaccharid (LPS), einem Endotoxin, das von gramnegativen Bakterien produziert wird, in den Kulturmedien als basolaterale Exposition induziert eine Genexpression, die zu einer erhöhten Entzündung und Darmpermeabilität führen kann7. Diese Studie zielt darauf ab, die Veränderungen der groben Epithelpermeabilität nach apikaler Exposition gegenüber bakteriellen Produkten wie LPS zu bewerten. Die Ergebnisse können einen Einblick in die Mikroben-Epithel-Interaktionen geben, die an der Pathogenese von Darmschäden beteiligt sind. Die Methode zur Prüfung der groben Permeabilität erfordert Mikroinjektionsaufbau und -fähigkeit.
Dieses Protokoll beschreibt die Etablierung von Enteroiden aus fetalem Darmgewebe sowie die Modellcharakterisierung mit Immunfluoreszenzfärbung und epithelialen Permeabilitätstests. Die Permeabilität der Enteroide wurde mit einer Mikroinjektionstechnik und seriellen Zeitverlaufsmessungen der ausgetretenen Dextran-FITC-Konzentration in den Kulturmedien getestet. Die Neuheit dieses Protokolls ist die apikale Exposition, die der menschlichen Darmphysiologie im Vergleich zur basolateralen Exposition in den Kulturmedien ähnlicher ist7. In früheren Studien verwendeten Hill et al. serielle Bildgebung und Berechnung der Fluoreszenzintensität über die Zeit16. Ares et al. setzten die basolaterale Membran eines Epithelmodells LPS aus und verglichen dann das zelluläre Genexpressionsmuster7. Im Vergleich dazu verwenden wir apikale Exposition der getesteten Reagenzien und untersuchen dann mögliche Veränderungen der groben Permeabilität, indem wir serielle Konzentrationen von ausgetretenem Dextran in den Kulturmedien messen. Unsere Methode ermöglicht auch die serielle vergleichende Analyse von Zytokinen, die von Epithelzellen in Kulturmedien produziert werden, und die Genexpression durch die Sammlung zellulärer mRNA. LPS wurde häufig verwendet, um Darmverletzungen in Tier- und In-vitro-Modellen zu untersuchen, da es Permeabilität und Entzündung induzieren kann 7,17. Als LPS in diesem Modell getestet wurde, wurde die epitheliale Permeabilität durch die Expositionskonzentration unterschieden. Dieses Protokoll kann erweitert werden, um andere Krankheitspathologien mit verschiedenen mikroinjizierten Materialien und Ergebnismessungen zu untersuchen.
Kritische Schritte in diesem Protokoll umfassen die Etablierung von Enteroiden aus fetalen Darmgeweben, die Charakterisierung von Enteroiden und die Mikroinjektionstechnik. Die Integrität dieser Studie hängt von einer genauen Zellprobenahme ab. Die Verwendung anatomischer Orientierungspunkte und Blutgefäße ist hilfreich, um die Auswahl von Dünndarmzellen sicherzustellen. Aufgrund des robusten Wachstums und der Differenzierung fetaler Darmstammzellen ist ein aufwändiges Verfahren zur Isolierung der Stammzellen aus anderen Epithelzellen nicht notwendig. Nachdem die Enteroide etabliert wurden, ist es wichtig, die Eigenschaften des Modells durch Färbung für Proteine und Zellmarker zu bestätigen. In diesem Protokoll wurden die Enteroide für Enterozyten mit Villin und CDX2, Paneth-Zellen mit Lysozym und Becherzellen mit Mucin gefärbt, alle Zellen, die im Dünndarmepithel 18,19,20 gefunden werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einzelzelllinien, die einen Zelltyp aufweisen, etablieren Enteroide alle Zelltypen aus den intestinalen Vorläuferstammzellen8. Der Färbeteil dieses Protokolls kann für die spezifischen zellulären Marker von Interesse modifiziert werden. Entscheidend für die Zuverlässigkeit dieses Protokolls ist die Mikroinjektionstechnik. Die Konsistenz der Mikropipettenspitzen kann überprüft werden, indem das Volumen pro Pumpe mit Dextran-FITC-Lösung gemessen und der Durchmesser der Spitzen unter dem Mikroskop visualisiert wird. Aufgrund des Kontaminationsrisikos kann dieselbe Mikropipette nicht für mehr als eine Exposition verwendet werden. Zusätzlich können Form und Wachstum der Enteroide durch den Inhalt ihrer Wachstumsmedien beeinflusst werden. Wir fanden heraus, dass die kugelförmigen und nicht die blumenkohlförmigen Enteroide bessere Modelle für die Mikroinjektion lieferten. Die sphärische Form kann durch einen größeren Wnt-Faktor im Medium21 induziert werden.
Dieses Protokoll hängt weitgehend von den Fähigkeiten des Darstellers bei der Mikroinjektion ab, um Schwankungen zu reduzieren, insbesondere bei zeitkritischen Messungen. Variationen können minimiert werden, indem derselbe erfahrene Performer mit konsistenten Techniken verwendet wird, der gleiche Zellursprung verwendet wird, um genetische Variationen zu vermeiden, an der gleichen Passage getestet wird, um Reifeverzerrungen zu beseitigen, und die Zellen in der gleichen Art von Medien für eine ähnliche Zelldifferenzierung züchtet. Die Komponenten der Wachstumsmedien können eine unterschiedliche Differenzierung von Stammzellen in vitro und nicht in einer in vivo-Umgebung induzieren. Zum Beispiel wird Lysozym in vivo erst in den Wochen 22-24 der Schwangerschaftsentwicklung exprimiert, wenn sich Paneth-Zellen bilden und funktionsfähig werden22. Wir konnten jedoch Lysozym in unseren Enteroiden nachweisen, die aus 10-wöchigen fetalen Eingeweiden etabliert wurden. Diese Methode kann die Anzahl der getesteten Expositionen gleichzeitig aufgrund der hohen technischen Fähigkeiten, die für die Mikroinjektion erforderlich sind, begrenzen. Die Dextranche aus dem Mikroinjektionsloch kann die Beurteilung der Permeabilität beeinflussen. Um diesen Effekt zu eliminieren, werden Dreifachwäschen unmittelbar nach der Mikroinjektion empfohlen, um Rest-Dextran aus dem Verfahren zu entfernen. Die Dextrankonzentration in den Medien sollte stündlich für 4-6 h nach der Mikroinjektion gemessen werden. Experimente mit einem signifikanten Anstieg der Dextrankonzentration innerhalb von 2-4 h nach der Injektion sollten von der endgültigen Analyse ausgeschlossen werden.
Diese Methode hat mehrere Vorteile. Es erfordert geringere Kosten und weniger Ressourcen im Vergleich zu enteroiden Monoschichten auf Transwell. Darüber hinaus kann es auf andere Expositionen wie lebende Bakterien oder Viren ausgeweitet werden, um die anfängliche Interaktion zwischen Darmmikroben und Epithel zu untersuchen. Das eingeschlossene Lumen des Enteroids kann ein stabiles Wachstum von mikroinjizierten lebenden Bakterien ohne Kontamination des Wachstumsmediums aufrechterhalten13. Im Gegensatz zur Monoschicht, die Wachstumsmedien und Inkubationssauerstoff ausgesetzt ist, ist das eingeschlossene Lumen ein enger, isolierter Raum. Ein geschlossenes Lumen ermöglicht keine Kommunikation mit den Wachstumsmedien und einen luminalen Sauerstoffgehalt, der mit lebendem Bakterienwachstum im Laufe der Zeit geringer ist13.
Die Verwendung von fetalem Darmgewebe bildet das Darmepithel von Frühgeborenen im Vergleich zu adulten Darmstammzellen oder Tiermodellen genauer ab7. Darüber hinaus ermöglicht die Polarität von Enteroiden sowohl apikale als auch basolaterale Belichtungen und Messungen23. Die Enteroide bilden ein geschlossenes Lumen mit niedrigerer Sauerstoffkonzentration, das die Sauerstoffkonzentration des Darms besser nachahmt24. Im Gegensatz zu technologisch fortgeschritteneren Protokollen16 ermöglicht die Verwendung von Bruttomedienmessungen eine bessere Zugänglichkeit dieser Technik. Das Experiment zeigte, dass epitheliale Leckage durch apikale Exposition gegenüber LPS induziert werden kann und konzentrationsabhängig ist. Da diese Methode die Änderungen der ausgetretenen Dextrankonzentration untersucht, ist sie nützlich, um grobe funktionelle Veränderungen in Tight Junctions zu erkennen. Die Boten-RNA-Sammlung und Sequenzierung der exponierten Enteroide und die Western-Blot-Analyse können die Analyse der groben funktionellen Veränderungen ergänzen. Dieses Modell untersucht die Integrität des Darmepithels in einem System, das der Frühgeborenenumgebung stark ähnelt und daher verwendet werden kann, um ein besseres Verständnis von vorzeitigen Darmverletzungen und anderen Krankheitspathologien zu erlangen.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Dr. Ian Glass und dem Personal des Birth Defects Research Laboratory an der University of Washington für die gemeinsame Nutzung des fetalen Gewebes. Wir danken auch Dr. Michael Dame und Dr. Jason Spence vom Translational Tissue Modeling Laboratory an der University of Michigan für ihre endlose Unterstützung und Anleitung während des gesamten Prozesses.
Amphotericin 250 uL/mL | Gibco | 15-290-026 | |
Anti-CDX-2 [CDX2-88] 0.5mL concentrated Mouse, IgG, monoclonal | Biogenex | MU392A-5UC | |
Anti-Claudin 2 antibody (ab53032) | abcam | ab53032 | |
Anti-Claudin 3 antibody (ab15102) | abcam | ab15102 | |
Anti-LYZ antibody produced in rabbit | Millipore Sigma | HPA066182-100UL | |
Anti-Mucin 2/MUC2 Antibody (F-2): sc-515032 | Santa Cruz | sc-515032 | |
Anti-Villin, Clone VIL1/4107R 0.5mL concentrated Rabbit, IgG, monoclonal | Biogenex | NUA42-5UC | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Millipore Sigma | A8806 | |
Cell culture plates, CytoOne 12-well non-treated plates | USA Scientific Inc | 50-754-1395 | |
Cell culture plates, CytoOne 6-well non-treated plates | USA Scientific Inc | 50-754-1560 | |
Centrifuge with 15 mL tube buckets | Eppendorf | 05-413-110 | |
CHIR 99021 | Tocris Bioscience | 4423 | |
Confocal microscope | Olympus FV1200 | N/A | Or a similar microscope |
Conical centrifuge tubes, 15 ml | Falcon | 05-527-90 | |
Cover glass for microscope slides | Fisher Scientific | 12-544-DP | |
Disposable scalpels | Mopec | 22-444-272 | |
Dmidino-2-phenylindole (DAPI) Solution (1 mg/mL) | Fisher Scientific | 62248 | |
Dulbecco's Phosphate-buffered Saline (DPBS, 1X) | Fisher Scientific | AAJ67802K2 | |
Ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid tetrasodium salt (EGTA) | Millipore Sigma | E8145-10G | |
Fluorescein isothiocyanate dextran (Dextran-FITC) 4 kDa | Millipore Sigma | 46944 | |
Fuorescence microplate reader | Agilent BioTek | Synergy HTX | |
Gentamicin 50 mg/mL | Gibco | 15-750-060 | |
Glass capillary tubes, single-barrel borosilicate, 1×0.5mm, 6" (cut in half before pulling) | A-M systems | 626500 | |
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 594 | Fisher Scientific | A32742 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor Plus 488 | Fisher Scientific | A32731 | |
Goat Serum | Fisher Scientific | 16210064 | |
ImageJ software | NIH | N/A | https://imagej.nih.gov/ij/download.html |
IntestiCult Organoid Growth Medium (Human) | Stem Cell Technologies | 06010 | |
Lipopolysaccharides from Escherichia coli O111:B4 | Millipore Sigma | L4391-1MG | |
Magnetic stand | World Precision Instruments | M10 | |
Matrigel Basement Membrane Matrix, LDEV-free, 10 mL | Corning | 354234 | protein concentration > 9 mg/mL preferably |
Micro forceps | Fisher Scientific | 13-820-078 | |
Micro scissors | Fisher Scientific | 08-953-1B | |
Micromanipulator | World Precision Instruments | M3301 | |
Micropipette puller | World Precision Instruments | SU-P1000 | Or a similar equipment |
Microscope slides | Fisher Scientific | 22-034486 | |
Occludin Polyclonal Antibody | Fisher Scientific | 71-1500 | |
Paraformaldehyde 32% aqueous solution | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | RT 15714 | |
Petri Dishes, 35×10 mm | Fisher Scientific | 150318 | |
Petri Dishes, 60×15 mm | Fisher Scientific | 12-565-94 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Fisher Scientific | 10010031 | |
PicoPump foot switch | World Precision Instruments | 3260 | |
Pipette tips, non-filtered, 1000 uL | Fisher Scientific | 21-402-47 | |
Pipette tips, non-filtered, 20 uL | Fisher Scientific | 21-402-41 | |
Pipette tips, non-filtered, 200 uL | Fisher Scientific | 21-236-54 | |
Pneumatic PicoPump system | World Precision Instruments | SYS-PV820 | or a similar picopump system |
Primocin 50 mg/mL, 10×1 ml vial | InvivoGen | ant-pm-1 | |
Steel base plate | World Precision Instruments | 5052 | |
Stereo microscope | Zeiss stemi 350 | Or a similar microscope | |
ThermoSafe PolarPack Foam Bricks | Sonoco | 03-531-53 | |
Triton X-100 | Millipore Sigma | T8787 | |
Wall air supply | N/A | N/A | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris Bioscience | 1254 | |
ZO-1 Polyclonal Antibody | Fisher Scientific | 61-7300 |